室内位置地图数据模型构建与应用

张寅宝，王光霞，游 雄

(信息工程大学，河南 郑州 450001)

引用著录：张寅宝，王光霞，游雄.室内位置地图数据模型构建与应用[J].测绘工程，2017，26(12)：1-7.

DOI:10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2017.12.001

室内位置地图数据模型构建与应用

张寅宝，王光霞，游 雄

(信息工程大学，河南 郑州 450001)

室内位置地图是实现位置服务的基础，不仅包含室内空间对象的几何信息，而且还包含对象之间的位置关联关系和语义特征。现有的地图数据模型缺少从位置服务的角度对室内空间的全面分析和描述，难以满足多样化的应用需求。采用面向对象方法构建了室内位置地图概念模型和逻辑模型，实现室内空间几何形态、位置关系和语义特征的统一描述，并通过位置和语义关联提供精准化、适人化的信息服务。结合商场室内个性化推荐与路径导航等位置服务实验，初步验证数据模型的有效性。

室内对象；位置地图；数据模型；几何形态；位置关系；语义特征

位置服务是由移动通信网络和实时定位系统结合在一起提供的一种增值业务，通过一组定位技术获得移动终端的位置信息，提供给用户以及通信系统，实现各种与位置相关的业务[1]。在过去的几十年中，位置服务从行业应用走向普通公众，如今人们在室外大部分地方都能享受到便捷的定位、导航、周边搜索等位置服务功能。室内由于定位精度低、数据采集困难等原因，以前一直是位置服务的空白地带。近十年来，高精度室内定位、快速移动测量、云计算、物联网等技术进步为推动室内位置服务奠定了良好基础。同时，人们每天平均80%的时间活动在室内空间[2]，而城市中大型公共建筑物数量越来越多，内部结构复杂、功能多样，应急救援、安全监控、公共服务、城市作战等领域都迫切需要智能化、精细化、适人化的室内位置服务。

实现室内位置服务的重要基础是可用、可信的位置地图。位置地图是一种以感兴趣的位置为中心的地图，其中的位置是实时动态定位所获得的或预先定义的位置与数字地图中所存储的静态位置及其相关信息的组合，通过两者的语义匹配为使用者提供感兴趣、及时的信息[3]。显然，这种地图不同于以前的数字地图，不仅要描述室内要素的几何形态和属性信息，而且还要描述室内要素之间的位置关联关系和语义特征。同时，室内空间既不同于室外的路网空间，也不是纯粹的自由空间，在空间尺度、组成要素、空间约束、定位技术、距离度量等方面具有独特性[4-5]，从而导致现有的室外位置地图数据模型无法直接应用，迫切需要构建合适的室内位置地图数据模型。

不同研究领域围绕室内空间建模与表达，提出了一些相关的地图数据模型，为本文提供了研究思路和参考借鉴。OGC发布的CityGML规范提出了一种基于边界表示的多细节层次建筑物模型[6]，可描述室内房间、出入口、固定设施的几何信息以及部分语义信息，主要面向模型可视化表达，缺乏楼层的概念，对路径导航、语义关联分析支持较弱。OGC发布的IndoorGML规范从建筑元素与室内设施管理和空间利用的角度提出了一种基于符号表示的多层数据模型[7]，可采用节点关系图进行拓扑分析，但缺乏几何结构描述，无法单独使用。智能建筑领域从工程管理的角度提出了一种基于工业基础类库的建筑信息模型(BIM)[8]，具有详细的几何数据和丰富的属性信息，但数据结构复杂，无法直接用于室内位置地图建模。ESRI发布的建筑物室内空间数据模型(BISDM)借鉴了建筑信息模型的部分优点[9]，舍弃了不适合地图表达和空间操作的冗余信息，支持可视化表达和有限的分析应用。自动化和智能控制领域广泛使用基于网格表示的数据模型来表示室内空间的占用情况，实现陌生环境中的自主导航[10]。朱庆等用体素来表示室内空间的最小单元格，通过体素所在空间位置和室内对象几何模型求交，得到室内占据空间以及非占据空间的体素集合，从而进行室内导航[11]。Jesen等将室内空间单元作为图的节点，将空间单元之间连通的缺口作为边，结合室内传感器的信息，构建了不同类型的图模型，支持空间推理计算[12]。总体而言，这些数据模型各具特色，并在行业应用中发挥了重要作用，但是缺乏从位置服务角度对室内空间几何形态、位置关系和语义约束的全面描述，难以满足室内位置服务的多样化需求。

本文设计了一种室内位置地图数据模型，具有以下特点：①支持多类型室内地图的可视化表达。地图是用户认知空间的最佳工具，为用户提供合适的地图是数据模型的首要任务。根据地图的表现形式分为二维地图和三维地图，二维地图能够直观表示室内楼层上的对象分布状况和总体特征，三维地图可描述室内空间的立体结构和局部细节特征。②支持室内对象不同方式的位置表达、转换和位置关系构建。室内位置描述分为绝对位置和相对位置，绝对位置用于位置服务系统内部进行精确定位；相对位置直接面向用户提供易于理解的位置信息。不同方式描述的位置之间需要建立映射关系，同时还要准确描述室内对象的邻接、包含、连通、重叠、方位等空间位置关系。③支持室内对象的语义描述、关联和计算。室内对象往往具有丰富的语义信息，一方面可描述室内对象的性质、用途、功能等，另一方面还包含时间、方向、距离、速度、尺寸与重量、用户类型等约束信息。数据模型应充分考虑室内对象的语义特征，建立语义描述、映射和分析计算的方法。

1 室内位置地图概念模型

从物理上来看，室内空间是由楼层、楼层连接器、空间单元、出入口等建筑结构元素和服务设施构成的三维立体空间。为了通信、导航、监控等信息服务需要，室内空间往往布设了大量的传感器和计算资源，弥漫着各种数字信号，是一个错综复杂的信息空间。因此，在位置服务中室内空间是物理空间和信息空间经过迭加，具有感知、分析、推理、通信、自适应和移动计算能力，为用户提供位置相关信息服务的多维复合空间[13]。信息空间能够觉察到物理空间的变化，始终以用户为中心，在合适的位置、合适的时间，以合适的方式提供合适的服务。下面首先对室内位置地图数据模型涉及的概念进行定义，它们之间的关系见图1。

建筑物：各类室内对象依附的容器，是室内位置地图数据组织的常用单位。需要描述地面几何轮廓，以及唯一标识、名称、地址、高度、层数、用途、占地面积、建筑面积、管理单位等属性信息。如果室内空间采用相对坐标系，还要描述其与绝对坐标系之间的转换参数，方便室内外空间切换。

楼层：构成室内立体空间的建筑结构元素，是室内空间细分的基本单位。需要描述几何轮廓，以及唯一标识、名称、基准高度、层高、序号等属性信息。

楼层分区：楼层上按照功能或主题划分的区域，通常没有明显的物理边界，分区之间空间上不能重叠。需要描述几何轮廓，以及唯一标识、名称、类型、面积等属性信息。

空间单元：楼层或楼层分区内由墙体或虚拟边界线构成的封闭空间，表现为房间、走廊、天井等，是开展室内活动的主要场所。需要描述几何轮廓，以及唯一标识、名称、类型、面积等属性信息。

出入口：室内外空间以及室内空间单元之间相互连通的建筑结构元素，表现为入口、出口、门、窗、缺口等。需要描述几何轮廓，以及唯一标识、名称、类型、宽度、高度等属性信息。

图1 室内位置地图的概念关系

连接器：室内楼层之间连通的建筑结构元素，可分为时限和非时限两类。室内非时限连接器有楼梯和自动扶梯，室内时限连接器主要是直梯，室内外非时限连接器是指逃生梯。需要描述几何轮廓，以及唯一标识、名称、类型、服务楼层、尺寸及重量限制等属性信息。

服务设施：室内空间中位置相对固定的各种设施、设备和物品，包括建筑附属物，如墙体、柱子等；摆设的物品，如椅子、桌子、展柜等；以及布设的各种设备，如通信设备、空气调节设备、给排水设备、传感设备、电力设备等。需要描述几何轮廓，以及唯一标识、名称、类型、高度、当前状态等属性信息。

网络：室内为满足环境感知、导航和查询分析建立的关系网络，如路径网络、邻接网络、连通网络、感知网络等。需要描述网络唯一标识、名称、包含的节点与边以及附带的权重系数、约束条件等。

2 室内位置地图逻辑模型

根据以上室内空间概念描述，结合室内位置服务需求，提出一种三层结构的室内位置地图逻辑模型，如图2所示。

图2 室内位置地图数据模型分层结构图

第1层为几何描述层，主要对室内建筑结构元素、服务设施等实体对象的几何形态进行描述，形成二维、三维位置地图基础底图；第2层为位置描述层，规范不同类型的室内位置描述，对对象之间的邻接、连通、包含、重叠、方位等位置关系进行描述，形成节点位置关系图，为路径导航、查询分析等应用服务提供支持；第3层为语义描述层，通过定义关键词节点、约束信息节点等对室内对象的语义特征进行描述，形成室内对象语义数据集；几何描述层与位置描述层之间建立位置映射关系，实现室内对象多种位置描述与转换；位置描述层与语义描述层之间建立语义映射关系，实现位置节点上多种语义信息集成与融合；三层结构功能相互独立，逻辑紧密相关，通过数据交互实现室内位置地图服务。

2.1 几何描述层

几何描述层位于模型底层，采用基于边界的模型描述室内空间结构、静态对象的几何形态，满足不同类型室内位置地图表达的需要，关键是确定不同对象的几何形态。借鉴ISO 19107地理空间信息图式规范，室内空间的几何元素包括0维的Point、一维的Curve、二维的Surface和三维的Solid，通过元素组合描述室内复杂对象。可根据空间范围和服务需求从多个尺度对室内对象几何形态进行描述(见表1)。例如，房间出入口在楼层级应用时可抽象为点，在楼层分区级应用时可抽象为线，在空间单元级应用时可抽象为面，在三维场景应用时则抽象为简单几何体。

表1 室内对象的几何形态描述

2.2 位置描述层

位置描述层位于模型中间，一方面对不同形式的室内位置进行规范统一，另一方面采用基于图的模型对室内对象之间的位置关系进行表达。室内位置包括绝对位置和相对位置，绝对位置是在地理参考坐标系统中对某点或区间的坐标位置进行描述，如笛卡尔坐标((20.5，8.3，6.0)，310房间出入口)表示3楼310房间出入口的精确位置；相对位置是用对象与同一坐标参考系统中其他对象的相对关系来描述的位置，如(15 m，东侧，电梯，601房间)表示601房间的位置为电梯东侧15 m。

室内对象的位置关系包括邻接关系、连通关系、包含关系、层次关系、方位关系等[14]。采用基于图的模型可满足室内位置查询与分析，如查询“与当前位置相邻的房间”或者“从当前位置可到达的房间”，关键是图中节点和边的抽象表示。图3是室内空间单元之间的邻接关系图，节点对应房间、大厅和走廊，边表示邻接关系。走廊C1与所有房间和大厅邻接，房间R4与房间R2、R6和走廊C1相邻。邻接关系具有对称性，即如果节点N1与N2邻接，那么N2也与 N1邻接。图4是室内空间单元之间的连通关系图，节点对应房间、大厅、走廊和出入口，边表示连通关系。从室内外出入口D1到房间R3的一条连通路径可表示为D1→H1→C1→D5→R3，各分段路径的实际距离可根据几何描述层定量计算，路径和节点的约束条件通过语义描述层说明。

图3 室内空间邻接关系图

图4 室内空间连通关系图

2.3 语义描述层

语义描述层位于模型顶层，主要对室内对象的功能用途、服务约束条件等进行描述。功能用途可按照主题定义为一组关键词，每个对象具有一项或多项功能。服务约束条件包括时间约束、方向约束、距离约束、速度约束、尺寸与重量约束、用户类型约束等，需要建立各自的语义描述集，从而实现精准服务。这里以室内导航中路径和节点上的约束条件为例予以说明，约束条件定义为六元组：

NaviRestrict=

{Time，Direction，Speed，Size，Weight，User}

其中，时间约束描述为Time=((StartTime1，EndTime1)，(StartTime2，EndTime2),…, (StartTimen，EndTimen) )，表示在以上定义的时间段可通行；方向约束Direction描述为正向通行(=0)，逆向通行(=1)，双向通行(=2)；速度约束描述为Speed=(MinSpeed，MaxSpeed)；尺寸约束描述为Size=(MaxLength，MaxWidth，MaxHeight)；重量约束描述为Weight=(MaxWeight，MaxNumber)；用户约束描述为User={CommonPedestrian，AuthorizationUser ，WheelChair，Children，Vehicle}。

2.4 各层之间的关系

在几何描述层与位置描述层之间，可通过对偶变换在对象与节点之间建立位置关联关系，使得节点具有相对准确的室内位置属性。在位置描述层与语义描述层之间，可在节点与语义关键词之间建立一对一或一对多的关联，如房间R2具有K1关键词，房间R3具有K2、K4关键词，从而实现室内对象位置与语义属性的联合检索，同时也便于空间功能发生变化时的动态更新。另外，还可在节点与约束条件之间建立关联关系，如连通图中节点N2受到条件CC3约束，节点D2受到条件CC2约束，边N1D1受到条件CC1约束。

3 位置服务应用实验

3.1 实验区域室内位置地图建模

选取某商场部分区域(楼层F1和F2)进行室内导航与个性化推荐位置服务实验，楼层上未设置分区，楼层连接器包括两部电梯和一部楼梯，室内空间单元为独立商铺，一楼通过3个出入口(D1、D2和D3)与室外空间连通，其他服务设施不考虑，室内空间详细布局见图5。

图5 实验区域室内空间布局图

根据上文构建的室内位置地图数据模型，分别对实验区域室内空间对象的几何特征、位置关系和语义特征进行建模。几何描述时，建筑物、楼层、空间单元、连接器等实体抽象为内部参考点和轮廓面；墙体抽象为中心线；出入口抽象为中心点和中心线，对象的相对高度作为属性存储。位置描述时，室内对象绝对位置用内部中心点表示，相对位置采用室内地标作为参考，位置连通关系用节点关系图描述。语义描述时，主要表示店铺的属性关键词和约束条件。表2是室内对象的位置关系和语义特征建模结果。

表2 实验区域室内对象位置关系和语义特征

续表2

3.2 店铺个性化推荐与路径导航位置服务

应用情境设置为顾客到商场购买服装，当前时间为2016年10月20日下午16时20分，用户为女性,年龄位于28～35岁之间，希望购置打折的知名品牌时尚套装，位置服务实验流程如图6所示，图中灰色部分由室内位置地图数据模型提供。

图6 室内位置服务实验流程图

首先根据用户需求构建权重向量W，它是按照重要程度排序的n维行向量，n为分类处理后的需求数量，实验中用户需求依次可描述为(女装，时尚风格，知名品牌，套装，促销)，因此W设置为(0.3，0.2，0.1，0.25，0.15)。然后依据语义描述层中店铺关联的语义关键词和用户需求构建每个店铺的特征向量R。R是n维列向量，当语义关键词完全满足用户的某项需求时数值记为1，部分满足时记为0.5，不满足时记为0。将W×R的结果S作为判断店铺与用户需求相似度的依据，排序后推荐前k项供顾客选择，表3是实验中店铺语义相似度的计算结果。

当顾客选择了若干准备考察的店铺后，需要根据位置关系层和语义描述层中店铺之间的连通关系和语义约束条件规划最优导航路径。实验中顾客从D2入口进入商场，从推荐列表中选择的店铺包括：103、108、207和210。根据店铺之间的连通关系(见图7)，结合语义约束条件可规划出若干条有效路径，按照距离最短、电梯优先的原则进一步筛选，得到最终导航路径：D2→100→103→100→108→100→112→212→200→210→200→207。

表3店铺特征与用户需求的相似度

图7 考察店铺之间的连通关系

最后在几何描述层中对规划的导航路径进行可视化表达，并采用相对位置进行导航服务，见图8。当顾客从D2入口进入商场接近位置①时，导航提醒“前方西侧15 m进入HSTYLE”；当到达位置②时，导航提醒“前方北侧准备进入PSALTER”；当到达位置③时，导航提醒“准备进入D3入口南侧的客梯”；当到达位置④时，导航提醒“到达二楼走廊，准备进入旁边的YANYEE”；当到达位置⑤时，导航提醒“准备进入斜对面的KAISER”。

图8 室内路径导航服务

4 结 论

本文在深入分析室内位置服务需求的基础上，提出了一种室内位置地图概念模型和逻辑模型。通过商场位置服务试验，表明该数据模型支持室内空间对象几何、位置和语义的统一描述，可通过位置和语义关联实现精准化、适人化的信息服务。随着室内位置服务和大数据的发展，基于位置分析和推理计算的增值信息服务越来越受到关注，势必要对室内位置地图数据模型进一步完善和改进，例如：①室内空间对象分类的精细化和标准化；②复杂室内位置关系构建和推理计算；③互联网泛在信息语义描述和室内位置关联；④室内外空间位置地图数据无缝集成和一体化管理；这些将是本文的后续工作。

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[责任编辑：刘文霞]

Theconstructionandapplicationofindoorlocationmapdatamodel

ZHANG Yinbao, WANG Guangxia, YOU Xiong

(Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China)

Indoor location map is a premise of location based service, which includes not only the indoor objects geometric information, but the location relation and semantic feature of objects. Existing map data models lack the analysis and description from view of location based service, and are difficult to satisfy various application demands. An object-oriented indoor location map concept model and logical model are proposed, which integrate indoor space geometry, location relation and semantic feature, and provide the accurate and humanoid information services by location and semantic association. Shop indoor personalization recommendation and navigation are experimented, showing that this data model is available.

indoor object; location map; data model; geometry; location relation; semantic feature

P208

A

1006-7949(2017)12-0001-07

2016-10-27

国家863计划资助项目(2013AA12A202)；河南省科技攻关计划资助项目(142101510005)

张寅宝(1980-)，男，讲师，博士研究生.